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出版者:Prentice Hall

作者:John Van de Vegte

出品人:

页数:496

译者:

出版时间:1993-08-10

价格:USD 99.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780130163790

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 反馈控制
• 自动控制
• 系统工程
• 电气工程
• 数学模型
• 稳定性分析
• 控制器设计
• 信号处理
• 现代控制理论

《反馈控制系统：深度解析与工程应用》 在现代工程领域，几乎所有复杂系统的平稳运行与高效运作，都离不开“反馈控制”这一核心概念。从飞机自动驾驶仪精准引导航程，到工业生产线上机械臂的毫秒级响应，再到家用电器中温度、湿度的智能调节，反馈控制的身影无处不在。它们默默地工作着，确保系统能够抵御外界干扰，精确追踪设定目标，并以最佳状态服务于我们的需求。《反馈控制系统：深度解析与工程应用》一书，正是旨在为读者构建一个全面、深入且极具实践性的反馈控制理论框架，揭示其背后的科学原理，并指引其在工程实际中的灵活运用。 本书并非仅仅是理论的堆砌，而是力求将抽象的数学模型与生动的工程现象紧密联系，让读者在理解理论的同时，也能体悟其在实际场景中的价值。我们相信，真正的掌控源于深刻的理解，而深刻的理解则来自于对理论的细致探究和对应用的生动阐释。 第一部分：反馈控制的基础理论与数学建模 我们从反馈控制系统的基本构成要素入手，介绍开环控制与闭环控制的区别，以及引入反馈机制所带来的核心优势：提高系统的精度、稳定性和鲁棒性。 系统建模：理解被控对象的本质 要控制一个系统，首先必须深刻理解它的内在规律。本书将详细介绍如何建立被控对象的数学模型。我们将涵盖： 微分方程模型： 从物理定律（如牛顿定律、电路的基尔霍夫定律）出发，推导描述系统动态行为的微分方程。我们将以常见的机电耦合系统、热传导系统、流体动力学系统等为例，展示模型推导的完整过程。 传递函数模型： 在频域内，传递函数是描述线性时不变（LTI）系统输入-输出关系的强大工具。本书将深入讲解拉普拉斯变换在系统建模中的应用，如何从时域的微分方程转换到频域的传递函数，以及传递函数所蕴含的系统特性，如增益、相位、极点和零点。 状态空间模型： 对于更复杂的系统，特别是多输入多输出（MIMO）系统，状态空间模型提供了更为通用的描述方式。我们将介绍状态向量、状态方程和输出方程的概念，并阐述其在现代控制理论中的重要性。 模型辨识： 在实际工程中，精确的物理模型往往难以获得。因此，本书还将探讨系统辨识的基本方法，通过实验数据来估计系统的模型参数，为后续的控制器设计奠定基础。 时域与频域分析：洞察系统行为 建立模型后，如何分析其动态特性至关重要。本书将引领读者穿越时域和频域，全面理解系统的行为。 时域响应分析： 阶跃响应、脉冲响应等是评估系统动态性能的关键指标。我们将详细解析这些响应曲线的意义，包括上升时间、峰值超调、调节时间和稳态误差，并介绍如何通过分析模型的极点来预测时域响应的趋势。 频域分析： 频率响应是理解系统在不同频率信号作用下表现的有力工具。本书将深入讲解伯德图（Bode Plot）和奈奎斯特图（Nyquist Plot）的绘制与解读，它们能够直观地反映系统的增益裕度和相位裕度，从而评估系统的稳定性。我们还将讨论频率响应在分析系统抗干扰能力和带宽方面的作用。 根轨迹分析： 根轨迹图是一种直观的图形工具，展示了随着控制器增益变化，闭环系统极点的移动轨迹。通过分析根轨迹，我们可以预测系统稳定性的变化，并指导增益的选取。 第二部分：反馈控制器设计理论与方法 理论基础的建立是为了更好地设计出能够满足特定性能要求的控制器。本部分将深入探讨各种经典的以及现代的控制器设计方法。 PID 控制器：经典而强大的基石 PID（比例-积分-微分）控制器是工业控制领域应用最广泛的控制器。本书将对其进行详尽的剖析： P 控制： 比例控制如何利用误差的当前值来产生控制信号，以及其优点与局限性。 PI 控制： 积分控制如何消除稳态误差，并分析其可能引入的瞬态响应恶化问题。 PID 控制： 微分控制如何预测误差的变化趋势，从而抑制超调，改善动态响应。 PID 控制器的整定方法： 从传统的 Ziegler-Nichols 方法到现代的基于模型的方法，本书将介绍多种实用的控制器参数整定技巧，并通过仿真实例加以说明。 补偿器设计：弥补系统不足 当基本控制器无法满足性能要求时，我们需要设计补偿器来改善系统的动态特性。 超前补偿器： 如何通过增加系统的相位裕度来提高系统的稳定性。 滞后补偿器： 如何在保证一定相位裕度的前提下，提高系统的低频增益，从而减小稳态误差。 超前-滞后补偿器： 结合两者的优点，设计出更优的补偿方案。 PID 补偿器的设计： 将 PID 控制器本身看作一种补偿器，通过调整其参数来实现对系统性能的优化。 状态反馈控制：基于状态信息的强大控制 对于具有可观测量或状态可估计的系统，状态反馈控制提供了一种更为先进和灵活的控制策略。 极点配置（Pole Placement）： 如何通过选择适当的状态反馈增益矩阵，将闭环系统的极点配置到期望的位置，从而精确控制系统的动态响应。 可控性与可观性： 深入探讨系统可控性和可观性的概念，以及它们对极点配置和状态估计的重要性。 线性二次型最优控制（LQR）： 介绍如何根据性能指标（如能量消耗和误差大小）来设计最优的状态反馈控制器。 观测器设计：估计不可测量的状态 在许多实际系统中，并非所有状态变量都能直接测量。观测器（Estimator）的作用就是利用系统的输入和输出信号来估计这些不可测量的状态。 Luenberger 观测器： 详细介绍 Luenberger 观测器的结构和设计原理，以及如何配置其极点以保证估计的快速性和准确性。 卡尔曼滤波器（Kalman Filter）： 作为一种最优的状态估计器，卡尔曼滤波器在噪声环境中具有卓越的表现。本书将介绍其基本原理和应用场景。 第三部分：反馈控制的稳定性分析与鲁棒性设计 稳定性是控制系统最基本的要求。本书将深入探讨各种稳定性判据，并介绍如何设计鲁棒的控制器来应对模型不确定性和外部干扰。 稳定性理论：确保系统安全运行 Routh-Hurwitz 判据： 一种基于特征方程系数的代数稳定性判据。 Nyquist 稳定性判据： 基于复平面上的奈奎斯特曲线，提供了一种更为直观和通用的稳定性分析方法，尤其适用于非最小相位系统。 增益裕度和相位裕度： 通过频域分析来量化系统的稳定性储备，直观地指示了系统能够承受多大的增益或相位变化而不失稳。 鲁棒控制：应对不确定性 模型不确定性： 现实世界中的系统参数往往存在不确定性。本书将探讨如何量化这些不确定性，并设计能够在不确定性范围内保持良好性能的控制器。 H∞ 控制： 一种先进的鲁棒控制理论，旨在最小化系统在最坏情况下的性能损失。 结构化与非结构化不确定性： 区分不同类型的模型不确定性，并介绍相应的鲁棒控制设计方法。 抗干扰能力： 分析控制器如何抑制外部干扰对系统输出的影响，并提出相应的设计策略。 第四部分：现代控制理论与高级控制技术 随着计算机技术和数学理论的发展，现代控制理论为解决更复杂的控制问题提供了强大的工具。 数字控制系统：从模拟到数字的飞跃 采样与保持： 介绍模拟信号如何被转换为数字信号，以及采样定理的重要性。 离散时间系统模型： Z 变换在离散时间系统分析中的应用，以及离散传递函数和离散状态空间模型。 数字控制器设计： 如何将连续时间控制器设计方法转换为数字控制器，以及直接的离散控制器设计方法。 非线性控制：突破线性模型的局限 非线性系统的特点： 分析非线性系统相较于线性系统所带来的挑战，如多重平衡点、极限环等。 李雅普诺夫稳定性理论： 一种强大的分析非线性系统稳定性的工具。 反馈线性化： 如何通过巧妙的反馈控制来将非线性系统转化为等价的线性系统，从而应用线性控制技术。 最优控制与模型预测控制（MPC）：面向未来的先进控制 最优控制的再探讨： 进一步深入最优控制的理论，包括动态规划等方法。 模型预测控制（MPC）： 一种基于系统模型、利用优化算法预测未来系统行为并生成控制律的先进控制策略，在化工、能源、自动驾驶等领域得到广泛应用。本书将介绍 MPC 的基本原理、滚动优化过程以及在实际中的应用案例。 第五部分：反馈控制系统的工程应用案例与实践 理论的最终价值在于实践。本书将通过一系列实际的工程应用案例，来巩固和拓展读者对反馈控制理论的理解。 机器人控制： 从机械臂的运动控制到自主导航，反馈控制在机器人领域发挥着至关重要的作用。 航空航天： 飞机的自动驾驶、导弹的制导控制等，都需要高性能的反馈控制系统。 汽车工程： 发动机控制、底盘电子稳定系统（ESC）、自适应巡航控制（ACC）等，都离不开反馈控制。 工业自动化： 过程控制、生产线自动化、智能制造等，反馈控制是实现高效生产的基石。 生物医学工程： 药物输送系统、人工器官控制、医疗设备的精确操作等。 本书的特色： 循序渐进的结构： 从最基本的概念出发，逐步深入到复杂的理论和高级技术，确保读者能够构建扎实的知识体系。 丰富的数学工具： 强调数学在控制理论中的核心作用，但同时注重其物理意义的解释。 仿真与实例驱动： 配合大量的仿真实验和工程实例，使理论知识更具象化和实用性。 强调工程实践： 不仅教授理论，更注重培养读者在实际工程问题中应用控制理论的能力。 批判性思维的培养： 鼓励读者理解不同控制方法的优缺点，并根据具体问题选择最合适的方案。 《反馈控制系统：深度解析与工程应用》将成为一本集理论深度、实践广度与前瞻性于一体的宝贵参考书，无论您是正在攻读相关专业的研究生，还是希望提升自身工程技能的工程师，或是对系统控制充满好奇的爱好者，本书都将为您打开一扇通往精确、稳定和高效系统世界的大门。通过本书的学习，您将不再仅仅是系统的使用者，更能成为系统的设计者和掌控者。

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我必须提及这本书在案例分析方面的丰富性与多样性。它并没有局限于传统的机电系统或简单的传递函数演示，而是拓展到了跨学科的应用场景。例如，书中用一章的篇幅专门讨论了化学反应器温度的精确控制，这涉及到复杂的非线性动力学和时滞效应的处理。接着，它又无缝切换到航空航天领域，讲解了如何使用卡尔曼滤波对飞行动力学模型中的传感器噪声进行最优估计，并将其作为状态反馈控制器的一部分。这种跨界的案例展示，极大地拓宽了我的视野，让我意识到控制理论的普适性。通过这些具体、复杂的工程实例，读者能清晰地看到书中学到的每一个定理、每一个算法是如何被转化为解决真实世界问题的强大工具的。这本书不仅仅是在“教你工具”，更是在“教你如何思考”——如何将一个物理问题抽象化，然后用严谨的控制语言来描述和解决它，这才是真正的工程思维训练。

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我花了相当长的时间来研究这本著作中关于现代控制理论的部分，特别是状态反馈和观测器设计章节。与其他同类书籍相比，这本书在处理多输入多输出（MIMO）系统时的详尽程度令人赞叹。作者并没有局限于传统的频率响应分析，而是大刀阔斧地将焦点置于时域和矩阵代数之上。最让我受益匪浅的是它对可控性和可观测性判据的推导过程，每一步的矩阵运算都交代得清清楚楚，结合李雅普诺夫稳定性判据的使用，提供了一套完整的、可操作的现代控制器设计流程。特别是当涉及到极点配置（Pole Placement）时，书中不仅给出了公式，还通过一个典型的机器人手臂控制案例，展示了如何根据实际性能指标反推所需的反馈增益矩阵 $K$。这种理论与工程实践的紧密结合，远超出了我对一本纯理论教材的预期。它成功地架起了从经典的拉普拉斯变换到先进的现代控制理论之间的桥梁，使得读者可以从更宏观的系统视角去理解控制器的本质作用。

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这本书最出彩的地方，或许在于它对系统不确定性和扰动抑制的讨论，这部分内容往往是许多教材中被一带而过或处理得过于简化的环节。作者似乎深谙实际工程中“模型不完全”是常态这一事实，因此花了大篇幅来讲解 $mathrm{H}_infty$ 控制的基本思想和结构。它巧妙地将复平面上的性能指标映射到频域，解释了如何通过构造加权函数来平衡系统的带宽和对外部噪声的抑制能力。阅读这部分时，我仿佛能听到作者在强调：一个好的控制器不仅要让系统稳定，更要让系统在“不完美”的世界中表现“完美”。书中对奇异值分解（SVD）在评估系统对不同频率输入响应敏感度方面的应用描述得尤为清晰，这提供了一种非常直观的方式来判断控制器的设计是否真正达到了预期的鲁棒性目标。这种对实际工程限制的深刻理解和系统化的应对策略，使得这本书的价值远超理论探讨范畴。

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这本关于反馈控制系统的书，坦率地说，给我留下了极其深刻的印象，尤其是在其对基础概念的阐述上。作者显然投入了大量精力，力求让那些初次接触控制理论的学生也能迅速建立起清晰的认知框架。书中对开环与闭环系统的区别、传递函数的建立过程，以及根轨迹分析的几何直观性解释，简直是教科书级别的示范。我记得最清楚的是它如何用非常生活化的例子来比喻PID控制器的三个参数——比例、积分和微分，避免了直接抛出复杂的数学公式，使得抽象的控制概念立刻变得触手可及。例如，在讲解积分项如何消除稳态误差时，它没有仅仅停留在数学推导上，而是模拟了一个水箱水位控制的场景，清晰地展示了“累积误差”带来的实际物理意义。这种教学方法的切换，极大地降低了学习门槛，让原本枯燥的系统辨识和模型简化过程变得具有探索的乐趣。整本书的逻辑推进非常流畅，前面对状态空间模型的铺垫，为后续分析稳定性提供了坚实的数学基础，读起来丝毫不觉得吃力，反而有一种循序渐进、豁然开朗的体验。

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从排版和实用性的角度来看，这本书的编辑质量堪称上乘，但其中一些习题设置的难度曲线确实有些陡峭，这既是优点也是挑战。对于那些希望深入钻研的工程师来说，这些挑战性的习题是宝贵的财富，它们迫使你去思考传统解法之外的可能性。我记得在处理鲁棒控制的初步介绍时，书本引入了 $mu$ 综合分析的概念，虽然讲解得相当深入，但随后的例题要求读者利用MATLAB或类似工具进行复杂的矩阵不等式求解，这对于时间紧张的初学者来说可能是一个不小的障碍。然而，正是这种对“硬核”内容的坚持，让这本书避免了沦为一本泛泛而谈的入门读物。它更像是一位严谨的导师，在传授基础知识的同时，也毫不留情地展示了该领域前沿研究的复杂性和深度，适合那些已经掌握了基础工科数学，并渴望在控制领域深耕下去的读者群体。

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